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  半纖維素是一種天然高分子聚合物，是自然界中儲量豐富的木質(zhì)纖維生物質(zhì)重要組分之一，其全球年產(chǎn)量約為600億噸，半纖維素可用于化學(xué)、食品、造紙、制藥及涂料等工業(yè)生產(chǎn)中。在傳統(tǒng)制漿造紙過程中，絕大多數(shù)半纖維素被丟棄并排放到黑液中未得到充分利用。半纖維素具有分子量多變、分枝度高等特點，分子鏈中含有大量羥基、乙酰基及羧基等官能團(tuán)，可通過物理加工或化學(xué)改性制備一系列具有新型功能的聚合物軟材料。由于其多糖結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不規(guī)則且分子間相互作用力多變，如何利用半纖維素的分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化凝膠中分子鏈的交聯(lián)特性，賦予半纖維素凝膠材料新的功能性，這對實現(xiàn)半纖維素材料的結(jié)構(gòu)調(diào)控與新材料應(yīng)用開發(fā)具有重要的意義，利用半纖維素分子鏈的交聯(lián)粘合作用制備凝膠材料，開發(fā)用于長期穩(wěn)定粘合電極材料的聚合物網(wǎng)絡(luò)具有挑戰(zhàn)性。

  近期，華南理工大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院、制漿造紙工程國家重點實驗室彭新文教授課題組制備了一種液態(tài)金屬引發(fā)的半纖維素凝膠材料，利用半纖維素的優(yōu)異親水特性引發(fā)了穩(wěn)定懸浮的液態(tài)金屬微液滴與丙烯酰胺單體的聚合反應(yīng)，進(jìn)而制備了具有共價鍵與氫鍵的雙交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的半纖維素基水凝膠材料。該工作通過半纖維素分子鏈羥基結(jié)構(gòu)單元調(diào)控液態(tài)金屬微液滴的空間構(gòu)型，實現(xiàn)了液態(tài)金屬微液滴的有序排列并引發(fā)與丙烯酰胺單體的聚合反應(yīng)。該半纖維素凝膠具有優(yōu)異的3D打印特性、自修復(fù)性能并可以用于鋅離子電池電極材料。該研究成果拓展了木質(zhì)纖維生物質(zhì)半纖維素的功能化應(yīng)用，并為實現(xiàn)3D打印天然分子與液態(tài)金屬聚合物制備及可生物降解的電池環(huán)保電極材料提供了多種思路。

液態(tài)金屬引發(fā)半纖維素制備凝膠材料

共聚物流變特性和3D打印電極

  該課題組制備的半纖維素基凝膠共聚物具有優(yōu)異的流變特性，特別具有高效的剪切變稀、以及對應(yīng)力作用的快速反應(yīng)能力（圖2 a-c）在剪切應(yīng)力從76.2pa增加到2446.7 Pa時，粘度從5789.9Pa·s逐漸降低到5.2 Pa·s（圖2 a）。在低剪切應(yīng)力（0.6 Pa）下，表現(xiàn)出類似彈性體的固體行為。將剪切應(yīng)力增加到 141 Pa 時，該共聚物表現(xiàn)出顯著降低的彈性模量（圖2 b)。在低剪切速率（0.1 s^?1）和高剪切速率（100 s^?1）交替施加的情況下，該共聚物的粘度隨時間的變化表現(xiàn)出明顯的粘度下降與快速恢復(fù) （圖2 c)。